柠条塔煤矿切顶成巷水射流切缝技术试验(1).pdf

第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 柠条塔煤矿切顶成巷水射流切缝技术试验 路根奎】，王建文】，王建业1,魏庆龙2,刘 辉1，陈 菲1 1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司陕西榆林719300； 2.中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083 摘 要切顶成巷工艺关键技术为顶板定向切缝，传统切缝技术均采用爆破技术，存在较多问题。本文以 柠条塔煤矿切顶成巷工程为背景，改良顶板定向切缝技术，开展水射流切缝技术试验，试验目标要求切缝 后相邻钻孔之间的岩体损伤率达到90以上，并且切缝应成一条直线，进而保证切顶成巷工艺中顶板切缝 效果。试验系统主要由泵站压力系统、磨料供给装置、切割头输送装置、切割头、定向器与现场试验所用磨 料构成。试验过程中首先在顶板岩层中预先钻进4个钻孔，然后通过输送装置及高压密封钻杆在割缝孔 中定向安装切割头，利用高压水射流分别沿4个切缝孔的径向向相邻钻孔造缝，定向连通所有切缝孔，进 而形成定向裂缝面。试验结果裂缝基本呈直线，裂缝偏转角度最大为0。〜10但在四个孔切缝过程中，孔 内较为直观的裂缝尚未贯穿整个钻孔的孔壁。该结果表明水射流切缝技术无法实现设计要求中形成90 贯通切缝面的目标，切缝参数仍需继续进一步优化。 关键词切顶成巷；定向切缝；水射流切缝；现场试验 中图分类号TD853 文献标识码A 文章编号1004-4051202008-0117-05 Testofliquiddirectionlroof-cutingtechnologyforpressure-relief entryretiningmininginNingtiotcolmine LU Genkui1 , WANG Jia nwen1 , WANG Jia nye1 , WEI Qinglo ng2 , LIU Hui1 , CHEN Fei1 1 Shenmu Ningtia o ta MiningCo . Ltd. Sha a nxi Co a l a nd Chemica l Industry Gro up Co . , Ltd. , Yulin 719300 , China； 2 Scho o l o f Mecha nics a nd Civil Engineering China University o f Mining a nd Techno lo gy Beijing , Beijing 100083 , China Abstract The key techno lo gy o f pressure-relief entry reta ining mining PERM is ro o f directio na l cutting , tra ditio na lro o fdirectio na lcutinga do pts bla stingdirectio na lcutingtechno lo gy whichha sma nypro blems Theres ea rchis ba sed o nthe PERM pro jectin Ningtia o ta co a l mine theliq uid directio na lro o f-cuting techno lo gytes tisca rriedo utto impro vethero o fslicingtechno lo gy Thetestta rgetreq uirestha ttheda ma ge ra teo fro ck ma ssbetweena dja centbo reho lesa fterliq uiddirectio na lro o f-cutingsho uldrea cha bo ve90 a nd the ro o f-cu ting line sho uld be a stra ight line so a s to ensure the ro o f-cu ting e fect in PERM pro ject Thetestsystemisma inlyco mpo sedo fpumpsta tio npres suresystem a bra sivesupplydevice cutinghea d co nveyingdevice cuting hea d directio na ldevicea nda bra s iveus edinfieldtes t Inthetes tpro ces s fo ur drilling ho les a re drilled in the ro o f ro ck la yer in a dva nce, a nd then cutting hea d is insta lled in the slo t ho le directio nalythro ughtheco nveyingdevicea ndhigh-preureea lingdrilpipe.High-preure wa terjeti uedto ma keho leinthea dja centho lera dialya lo ngthefo urlo tho lea ndalthelitho lea reco nnected directio naly o a to fo rm directio na l cra ck in the ho le. The tet reultho w tha t the cra cka re ba ical y 收稿日期收稿日期2019-06-25 责任编辑责任编辑赵奎涛 第一作者简介第一作者简介路根奎1966 ,男，汉族,陕西凤翔人,教授级高级工程师，从，从事岩土工程方面的研究工作,E-ma ilLgk-2003163. co m。 通讯作者简介通讯作者简介王建业1991 ,男，汉族,陕西府谷人,硕士研究生,从事岩土工程方面的研究工作,E-ma il1041788457q q . co m。 引用格式引用格式路根奎,王建文,王建业,等柠条塔煤矿切顶成巷水射流切缝技术试验J*.中国矿业，2020,298117121. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051 2020 08 007 118中国矿业 第29卷 stra ighthe ma ximum deflectio n a ngle o f the cra cks is 0-10,but in the pro cess o f cutting sea ms in the fo ur ho les ,the rela tively intuitive cra cks in the ho les ha ve no t penetra ted thro ugh the ho le wa ll o f the who le bo reho le. The results sho w tha t the liq uid directio na l ro o f-cutting techno lo gy ca nno t a chieve the go a l o f fo rming 90 o f the cutting line thro ugh the design req uiremen ts o f PERM,a nd the pa ra meters o f the liq uid directio na l ro o f-cutting techno lo gy still need to be further o ptimized. Keywords pressure-relief entry reta ining mining； directio na l ro o f-cutting techno lo gy; liq uid directio na l ro o f-cutting techno lo gy； field test 煤炭作为我国主体能源，多数矿山开采强度不 断 ，资源 日益严重，传统 工法 巷 较大，煤柱 较严重「宀。 传统 工艺所 的问题，何满潮院士团队 研发无煤柱切顶成巷技术，有效解 述问题o 无煤柱切顶成巷技术的 在 用定向切缝技术 切断采空区顶板和巷道顶板之间的 ，使其具有 相互独立的 ，从 巷道产生的 ，并达到 压力的目的。此外，与 传统的 留巷有所 ，该技术利用 的岩体 巷道，不需要巷旁充填，从 充填体 的应力集中,大大降 巷 岩 程度「28。 无 煤 柱 顶 巷 技术的 定 技术 多 使 用 爆破技术。煤矿 作业环境复杂，且连续工作时 ，爆破技术在实施过程中，会产生弧光、灰尘和 有毒 等污染物，上 效 ，众多学者在爆 破技术中做 的 卩13 ,但均不能从根源上 解 技术所 的问题，水 技术 研究热点。水 技术的工作介质是 水，使用 廉，是一种冷加工 ，不会产生热 ，由于水的 作用，高压水 在工作过程中， 能自动排出废渣，不需要另行设计排渣装置「14皿。 再者水 工作 具有喷头 小、后坐力 小、、 便等 ，易于实现光控、数控、机械手或 化控制。水 过程中水的压力 容 控制，便 设 统的工作 ，使 作业环境，完成多样化工作要求。 煤集团柠条塔煤矿切顶成巷试验为工程 背景, 顶成巷工艺中定 技术,开展水 ‘ 技术现场试验，对巷道顶板实施定 ，通过现 试验结果综合评估水 技术的 性。 1 流 技术现场试验流 技术现场试验 压留巷技术工程试验在陕西省榆林市柠条塔 煤矿 展。其中试验工作面煤层平均厚度 4.04 m,煤层倾角近水平。试验工作面技术设计参 数如图1所示，其中顶板切缝深度设计为9.0 m,切 缝孔距巷道实体煤帮6. 2 m,与铅垂线夹角为10, 留巷顶板每排布置5根恒阻值为35 t的恒 变 ，实体煤帮每排3 , 1.6 m, 18 mm,挡肝支护采用“切顶护帮支架 U 金属网”进行挡肝支护，同时操作切顶护帮支 抵住U ,防止其倾斜、滑倒。其中 2-2煤层 4.04 m 粉砂岩 4.4 m 中粒砂岩 18.58 m 图1工作面设计参数 Fig. 1 Design of the roof cutting line and support parameters in the working face 第8期路根奎，等柠条塔煤矿切顶成巷水射流切缝技术试验 119 顶板定向切缝技术是卸压留巷关键技术之一，是指 通过在将要 的 顶板 定 ，切 断顶板的应力 路径，使巷道顶板 “切顶短壁 梁”，从而减小 煤体受到回采动压的影响。 2 流 技术现场 目的流 技术现场 目的 水 技术是在双向聚能张拉成型爆破技 术、高压水 割技术的基础上提出的一项新型 顶板定 技术，利用高压水 割 理在顶 板预设的 钻孔 定 。 试验充分 利用双向聚能 技术中的定 理 念，实 在设定 定 的功能。为 了实现卸压留巷 技术优化，应用水射流切 缝技术需要保证顶板卸压效果，要 后相邻钻 孔 的岩 率达到90 ，做到基本能够 断 顶板 巷 顶板 的 理 缝孔间距200 mm,相邻孔之间的岩体宽度150 mm， 每个孔向两侧的 深度均 75 mm,切缝过 程中，切割头 必 一 ，且咼压流体 喷 朝向巷道轴向，从而保证 后能够形 成一个平面。 3 流 技术现场试验系统流 技术现场试验系统 水 技术现场试 统采用高压磨料水 射流定 割岩 定向连通 ，切缝时使用 液 及其配套设 工。试 统由泵站压 力系统、磨料供给装置、切割头输送装置、切割头（由 喷嘴与 器 定向器与 试验所用磨料构 试验地点工程地质 及柠条塔切顶 巷试验工作面地质与工 ，磨料供给装 I 割头输送装 新研发设备，其中切割头输送装 置由 、绕管滚筒、多 伸缩支架等 ，输 送装置高约2.7 m,， 皮带摩 。该 试验装置具有高 小、轻便、适应性强等 ，。 水 连续 统为前混合磨 连续加 料系统（图2），其中磨料为0. 595〜0. 210 mm的石 英砂,磨料浓 6。该连续加料系统工作原理 首 用高压柱塞泵 高 的水流，水流经 过 泵时，由于水 边界层的紊 散作用，会 卷走磨料供给装 与 泵连 的 ，使 附近 真空状态，磨料受自重与压力差的 作用，由磨料供给装置处进入 泵内，流经 专 用高压 ，再进入喷嘴，通过喷嘴对磨料水产生加 速作用，最后从喷嘴中喷出，形成磨料水 。 水 技术原理主要为高压水 定向联 孔切割岩 定向连通 。施工流程由高压泵 提供动力源，经磨料供给装置混入磨料，通过高压防 爆胶管、高压密封钻杆输送高压流体,利用输送装置 实现高压 钻杆的定 送，由切割头 ，实现 定 ，废水由回收装置收集汇入 污水箱- 如图3所示，具 理首先在顶板岩层中预先 钻进4个钻孔（由矿 有 钻 工然后通 过 送装 及高压 钻 在割 孔中定 装 割头， 用高压水 4 孔 相邻 钻孔 ，定向连通所有 孑L,形成定向裂缝面。 电机 磨料供给装置 -压力表 咼压柱塞泵 谭益流阀弋射流泵 J贲嘴 」二厂水箱 图图2水射流切顶技术连续加料系统水射流切顶技术连续加料系统 Fig. 2 The continuous addition of abrasive system in thelqu/dd/rect/onalroof-cutngtechnology 切缝孔■■切缝孔、 切缝孔 砂岩 /输送装置■■液压卡盘 L高压胶管J j加沙装置 切缝 缝槽 支架顶板 高压泵 水箱、 “喷嘴 “来廟流 ■造饉器 密封钻木 图图3试验系统切缝原理示意图试验系统切缝原理示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the roof-cutting principlein.he.es.sys.em 4水射流切缝技术现场试验方案水射流切缝技术现场试验方案 次实验在陕煤集团柠条塔煤矿切顶成巷试验 工作面留设巷 展。目前水 经连接完毕, 试 统 ，扌 试验平台。留设巷道顶板 提前 A、B、C、D四个孔（钻孔深度为9 m,每两 个孔中心距为125 mm,孔间岩体宽度为75 mm）, 试 A、B、C、D孔 孑L ，具体施工 步骤①设 装及检查水 统安装完 ，并检查设 所需的水电是否供应正常, 时检查 统中的 阀、压力表是否灵敏、正 确，最后检查各种连 是否连接牢固；②试 统 压 用高压 送装 高压 送 钻 120中国矿业 第29卷 孔底部，开启高压泵，并将压力迅速升高至40 MPa, ③试 统切割 控制“ 装置的开关，迅 泵压升高至50 MPa ,利用高压 送装置将 磨 割头切割 控制在0. 5m/min；④试 统切割作业在切割过程中，保持压力 割速 到切割 到一定 时，将泵压降低 5 MPa ,并关闭 装置，直至没有磨料从孔中流 出，关闭咼压泵，关闭电源及切断水源，将切割头退 钻孔 割作业。 5 流切缝技术现场试验结果流切缝技术现场试验结果 试验过程中切割头对A、B、C、D四个孔进行联 孔切缝，为获取水射流切缝试验效果，切割完成后采 用钻孔成像 孔 探测，探测所得 试验结果如图4所示。 a 孔A探测结果b孑LB探测结果 a 孑LC探测结果b孔D探测结果 图4现场 内探测结果场 内探测结果 Fig. 4 Borehole detection result in field test 水射流切缝试验最终目标需要相邻孔内裂缝贯 通，并 90贯通 面，进而实现顶板切缝。 由图4可知，A、B、C、D四个孔内均有两条清晰的裂 ，裂缝基本呈直线。 平均分布在1. 9〜7. 1 m 范围，切割 约5.2 m。 孔内的8条裂缝偏 最 0〜10， 基 一条直线。 ， 经切割 ，但在 孔 过程中, 孔内较 的 尚 钻孔的孔壁。该 结 水 技术无法实现设计要求中形成 90贯通 面的目标，切缝参数仍需继续优化。 6结论结论 1 采用水射流切缝技术对顶板进行定向切割 这一思路是 的。只要选取的 参数合理，切 割能力 到设计要求的。采用专用的定向装置 固定切割 能总够保证 基 一［ 从而满足设 。 2 . 从切割能力上来看水射流切缝技术能 够满足设计要求，但是在 实 用过程中 i 到了新的问题。在 孔 时，试验结果中切 偏 最 0〜10， 基 一条直 线。由 孔 的要求极其高，切缝 平均分布在1.9〜7. 1 m范围内，裂缝尚未贯穿整 钻孔的孔壁，导致相邻两孔 的岩体无 透透。因此，还需从优化切割能力 的 一步解 述遇到的问题。 参考文献参考文献 1宋振骐，崔增娣，夏洪春，等无煤柱肝石充填绿色安全高效开宋振骐，崔增娣，夏洪春，等无煤柱肝石充填绿色安全高效开 采模式及其工程理论基础研究采模式及其工程理论基础研究J*.煤炭学报煤炭学报，2010,355 705-710 SONG Zhenq i,CUI Zengdi,XIA Ho ngchun, et a l. 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